崩落法开采“悬留”大型采空区协同处置技术研究_汪为平.pdf

崩落法开采 “悬留” 大型采空区协同处置技术研究 汪为平 1， 2 陆玉根 1， 2 段庆豹 3 侯大德 1， 2 汪亮 1， 2 孙秀柱 4 （1. 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司， 安徽 马鞍山 243000； 2. 金属矿山安全与健康国家重点实验室， 安徽 马鞍山 243000； 3. 陈巴尔虎天宝矿业有限责任公司， 内蒙古 呼伦贝尔 021000； 4. 安徽省煤炭科学研究院， 安徽 合肥 230001） 摘要无底柱分段崩落法主要通过崩落上覆围岩处理采空区， 对于未冒落充填完毕的大型 “悬留” 采空区， 其地压安全问题未得到根本解除。该类空区的体积范围达到一定程度后， 易发生突然冒落失稳， 产生较大冲击地 压， 对于井下人员及生产安全造成了重大威胁。以谢尔塔拉铁锌矿的 “悬留” 大型采空区为例， 构建了一整套协同 处置技术， 分别采用数值模拟方法对其稳定性进行分析， 采用封闭加井筒泄压方式处理采空区， 同时构建了先进的 微震监测网络， 对岩层移动及采空区稳定性进行全天候跟踪监测分析和预警， 实现了对空区的有效管控， 对于存在 该类 “悬留” 空区的矿山提供了可行的处置方案。 关键词地下开采 “悬留” 采空区协同处置技术稳定性分析微震监测崩落法 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -07-008-06 DOI10.19614/ki.jsks.201907002 Study on the Collaborative Disposal Technology of Large-scale “Left Over“ Goaf Mining by Caving Wang Weiping1， 2Lu Yugen1， 2Duan Qingbao3Hou Dade1， 2Wang Liang1， 2Sun Xiuzhu42 （1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.， Ltd.， Maanshan 243000， China； 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mines， Maanshan 243000， China； 3. Chen Balhu Tianbao Mining Co.， Ltd.， Hulun Buir 021000， China； 4. Anhui Academy of Coal Science， Hefei 230001， China） AbstractThe non-pillar sublevel caving mainly treats the goaf by caving overlying surrounding rock， and for large “left over” goaf that have not been filled up， the issue of ground pressure safety has not been fundamentally lifted.When the volume of the goaf reaches a certain level， it is prone to cause sudden collapse and instability， resulting in a large impact pressure.It poses a major threat to personnel and production safety in the mine. Taking the“left over” goaf of Xieertala Pb-Zn Mine as the study example， a set of collaborative disposal technology is established to analyze its stability by means of numeri- cal simulation and treat the goaf by means of closed shaft to relieve pressure.At the same time， an advanced microseismic mon- itoring network is built to conduct all-weather tracking monitoring analysis and early warning to rock movement and goaf stabil- ity， and the goal of risk menagement and control for“left over”goal with large scale is realized.The above study results can provide a reliable disposal plan for mines with large-scale “left over” goaf. KeywordsUnderground mining， “Left over“ goaf， Collaborative disposal technology， Stability analysis， Microseismic monitoring， Caving 收稿日期2019-06-07 项目基金 “十三五” 国家重点研发计划项目 （编号 2016YFC0600707） 。 作者简介汪为平 （1964） ， 男， 所长， 正高级工程师， 硕士研究生导师。通讯作者陆玉根 （1987） ， 男， 工程师。 总第 517 期 2019 年第 7 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 517 July 2019 无底柱分段崩落法主要依靠崩落上覆围岩充填 采空区释放地压， 以保证下部开采安全。采用该方 法开采的矿山允许地表塌陷， 地表塌陷视为空区上 部已逐步冒落至地表， 空区被覆岩全部充填， 地压问 题解除。上覆围岩冒落直至地表是一个自下而上， 难以控制和预测的过程， 影响因素包括矿体埋深、 地 质条件、 原岩应力分布、 矿体开采范围、 上覆围岩体 力学强度等 ［1-3］。无底柱分段崩落法开采后形成的上 覆围岩难以冒落至地表的空区， 本研究称之为 “悬 留” 空区， 特别是对于一些已形成大型空区的矿山， “悬留” 空区的存在始终威胁着矿井安全生产 ［4-6］。针 对该类空区， 学术界的主要研究方向为 ①风险评 估， 进行空区稳定性分析， 评判危险程度， 分析空区 安全事故发生的可能性； ②地压监测， 采用各类传感 8 ChaoXing 器实时监测应力、 位移、 岩体活动变化指标， 达到预 警目的； ③治理措施， 一般采用封闭、 放顶、 留设卸压 通道等方法消除空区安全威胁 ［7］。上述研究尽管取 得了较好的实践效果， 但尚未形成一套成熟的空区 处置方法。本研究以谢尔塔拉铁锌矿的 “悬留” 大型 采空区为例， 提出一套融合风险评估、 地压监测、 治 理措施在内的空区协同处置技术， 为高效应对采空 区安全威胁提供有益参考。 1矿山采空区现状 谢尔塔拉铁锌矿位于内蒙古呼伦贝尔市， 设计 年生产能力210万t， 2011年9月投产。矿山开拓系 统采用主副井、 斜坡道， 井下无底柱分段崩落法开 采， 分段高度15 m， 进路间距15 m。矿体顶底板围岩 均较稳定， 顶底板大部分为石榴石岩。局部地段锌 矿体产于酸性熔岩中， 其顶板围岩为酸性熔岩。石 榴石岩为细粒中粒变晶结构， 致密坚硬， 节理不发 育， 单轴饱和抗压强度 98.11～240.59 MPa， 平均 169.34 MPa， 属坚硬岩石， 岩体稳固。矿岩硬度系数 矿石f16～18， 岩石f14～16。 矿山主要开采3个矿体， 分别为南-Ⅰ矿体、 北- Ⅰ矿体及Ⅰ-8矿体， 经过多年回采， 已形成南-Ⅰ、 北-Ⅰ和Ⅰ-8三大采空区， 如图1、 图2所示。目前， 南-Ⅰ采空区上部地表已塌陷， Ⅰ-8及北-Ⅰ采空区 上部地表仍未塌陷， 表明Ⅰ-8及北-Ⅰ采空区上部岩 体冒落仍未到达地表。根据测算， 目前 “悬留” 空区 体积超过1.010-6m3， 空区赋存标高415～520 m， 地表标高680 m， 空区至地表之间存在约140 m厚的 围岩。 2 “悬留” 空区协同处置技术 针对谢尔塔拉铁锌矿存在的 “悬留” 空区， 提出 了一整套协同处置技术， 有效集成了风险评估、 空区 治理和地压监测等环节 （图2） 。通过风险评估评判 目前空区的危险程度、 事故发生的可能性， 为下一步 治理提供可靠依据； 空区治理一般采用封闭、 放顶和 留设泄压通道等技术消除安全隐患， 各方法的技术 原理不同， 需要根据空区特点和风险级别进行合理 选择； 地压监测采用各类传感器实时监测应力、 位 移、 岩体活动变化指标， 分析空区地压活动规律， 以 期达到预警的目的。 2. 1空区稳定性分析 2. 1. 1数值模型构建 本研究采用FALC3D有限元软件建模进行数值模 拟， 采用摩尔-库伦岩土本构模型。假定各种岩体和 充填体均为各向同性的连续介质； 采空区开挖形成 是一次性的， 不考虑时间效应； 在计算中仅考虑了地 应力及重力影响， 忽略地震波、 爆炸冲击波及地下水 对围岩稳定性的影响 ［8］。依据空区三维模型构建数 值计算模型， 对空区三维模型进行简化处理， 以提高 计算效率。本研究构建的数值计算模型长600 m， 宽 500 m， 高 280 m， 模型Z向标高为400～680 m （图 3） 。 数值模拟的相关力学参数引用矿山原有参数， 并对相关参数进行了相应的工程折减， 结果如表1所 示。 2. 1. 2模拟结果分析 本研究通过重点分析北-Ⅰ及Ⅰ-8矿体开挖形 汪为平等 崩落法开采 “悬留” 大型采空区协同处置技术研究2019年第7期 9 ChaoXing 成空区后的应力、 位移分布规律， 来综合评价北-Ⅰ 及Ⅰ-8采空区的稳定性。 按照图 1 中网格坐标分别以 X150、 200、 250、 275、 300、 325 m切割剖面， 分析各剖面的最大主应力 云图， 各区域空区顶板均出现应力集中现象， 若安全 系数按1.3考虑， 顶板围岩所承受的最大主应力应小 于1.85 MPa。由图4、 图5可知 南-Ⅰ及Ⅰ-8空区顶 板存在较大面积的应力集中区域， 应力均超过了阈 值， 表明空区顶板较不稳定。 X250 m剖面Z向最大位移分布如图6所示， 地 表Z向最大位移分布如图7所示。结合图6等数值模 拟结果分析可知 各剖面上的最大位移处均位于采 空区顶板， Ⅰ-8空区顶板下沉量最大， 且下沉位移等 值线形成了一道道拱线， 北-Ⅰ空区顶板位移值最 小。由图7可知 地表下沉中心区域位于Ⅰ-8空区顶 板 （505、 520 m水平空区上方） 。 根据采空区应力、 位移数值分析结果可知 各区 域空区顶板均出现应力集中现象， 并出现下沉， 空区 总体稳定， 但南-Ⅰ及Ⅰ-8空区顶板局部围岩所承受 的最大主应力超过了安全允许值， 局部区域达到了 极限应力， 其中， Ⅰ-8空区顶板应力集中区域面积较 大， 且该处 （505、 520 m水平空区上方） 顶板也为位移 下沉中心区域， 说明该处稳定性较低， 易发生空区失 稳。总体来说， Ⅰ-8空区顶板局部相对于南-Ⅰ及 Ⅰ-8空区稳定性较低， 易发生空区失稳。 2. 2空区治理 目前常用的采空区处理方法可以概括为 “崩” 、 “充” 、“封” 。“崩” 即为强顶崩落上部岩体至地表塌 陷，“充” 即为用充填方式处理采空区，“封” 一般为采 用封闭方法并辅以其他方法释放地压。针对谢尔塔 拉铁锌矿由无底柱分段崩落法开采形成的 “悬留” 采 空区， 若采用崩落上部岩体方式， 须采用强制放顶， 由于空区范围较大且距离地表较近， 爆破施工难度 大、 成本高； 若采用充填法， 虽然可以有效消除采空 区安全隐患， 但成本较高。综合分析， 矿山在下部已 改为充填法开采， 且留设了足够厚度的隔离矿柱， 上 部无底柱分段崩落法开采已经结束， 故采用封闭方 法处理采空区更适宜， 即通过留设足够厚度的钢筋 混凝土墙封闭空区与外部工程的出入口， 同时留设 卸压通道， 并对空区进行监测预警可达到有效治理 的目的。 具体措施为 矿山采用无底柱分段崩落法开采， 回采水平主要位于430 m标高以上， 为防止 “悬留” 空区突然垮塌造成冲击地压， 在430 m标高以上所 有中段和分段， 将与空区相连的所有外围通道封闭， 并留下460 m水平通往地表的措施井作为泄压通 金属矿山2019年第7期总第517期 10 ChaoXing 道。封闭墙采用厚度为1 m的钢筋混凝土墙进行浇 灌， 并配双层钢筋网。505 m分段空区封闭墙分布 如图8所示， 钢筋混凝土封闭墙的相关技术参数如图 9、 图10所示 ［9］。 目前矿山已进入400 m水平以下开采， 为充分 保证开采安全， 设计400 m水平对采矿方法进行变 更， 不再采用无底柱分段崩落法， 改用对于空区处理 更为安全的充填采矿法， 同时对位于415 m～400 m区段的矿体不回采， 为新旧采矿方法的隔离矿柱 （顶柱） ， 从而保证上部采空区不对下部充填法开采 形成安全威胁。变更后的采矿方法为尾砂充填法， 包括大直径深孔嗣后充填法和点柱充填法。 2. 3空区监测 针对 “悬留” 采空区， 采用封闭加留设卸压通道 的方法进行治理后， 在一定程度上消除了空区的安 全威胁。但安全隐患依然存在， 有必要采取一定的 监测手段来进行监测， 对可能产生的岩体冒落事件 进行预警。目前地压监测手段包括常规点监测和最 新的微震监测， 由于空区范围较大， 点监测难以覆盖 全面且准确性低， 故本研究采用微震监测方法采集 岩体活动信号 ［9］。通过采用16通道的微震传感器对 采空区及采动岩层进行全天候监测。根据现阶段矿 山采空区地压显现特征， 优先在靠近Ⅰ-8及北-Ⅰ空 区周边安装微震监测传感器。本研究微震监测系统 在井下共布设了3个采集基站， 16个采集传感器， 其 中505 m水平4个， 460 m水平5个， 430 m水平1个， 400 m水平6个 （图11、 图12） 。 系统自2018年下半年运行以来， 一直运行较为 正常， 微震采集信号波形见图13。通过近半年的微 震监测， 总结规律， 目前微震活动频繁的主要为靠近 主溜井附近的巷道， 出现了不同程度的冒顶片帮现 象 （图14） ， 但空区顶部及周边微震活动相对稳定， 采 空区总体上较稳定 ［10-12］。 3结语 无底柱分段崩落法主要通过崩落上覆围岩处理 采空区， 上覆围岩冒落直至地表是一个自下而上， 难 汪为平等 崩落法开采 “悬留” 大型采空区协同处置技术研究2019年第7期 11 ChaoXing 以控制和预测的过程， 影响因素包括矿体埋深、 地质 条件、 原岩应力分布、 矿体开采范围、 上覆围岩体力 学强度等。未冒落充填完毕的大型 “悬留” 采空区， 对矿山安全生产威胁较大。针对该类 “悬留” 采空 区， 提出并实施了一整套 “悬留” 采空区协同处置技 术， 即风险评估、 空区治理和地压监测。通过数值模 金属矿山2019年第7期总第517期 12 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ 拟方法对采空区稳定性进行分析和评价， 采用封闭 加井筒泄压方式处理采空区， 并构建了微震监测网 络， 实现对采空区的监测与预警。该方案的提出， 对 于存在该类 “悬留” 采空区的矿山有一定的参考价 值。 参 考 文 献 刘兴国， 周骥.放矿理论基础 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 1995. 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